Энергетычныя газатурбінныя ўстаноўкі. Цыклы газатурбінных установак

Газатурбінныя ўстаноўкі (ГТУ) уяўляюць сабой адзіны, адносна кампактны энергетычны комплекс, у якім спараных працуюць сілавая турбіна і генератар. Сістэма атрымала шырокі распаўсюд у так званай малой энергетыцы. Выдатна падыходзіць для электра-і цеплазабеспячэння буйных прадпрыемстваў, аддаленых населеных пунктаў і іншых спажыўцоў. Як правіла, ГТУ працуюць на вадкім паліве альбо газе.

На лязо прагрэсу

У нарошчванні энергетычных магутнасцяў электрастанцый пануючая роля пераходзіць да газатурбінным устаноўкам і іх далейшай эвалюцыі - парагазавай устаноўкі (ПДУ). Так, на электрастанцыях ЗША з пачатку 1990-х больш за 60% ўводзяцца і мадэрнізуемая магутнасцяў ўжо складаюць ГТУ і ПДУ, а ў некаторых краінах у асобныя гады іх доля дасягала 90%.

У вялікай колькасці будуюцца таксама простыя ГТУ. Газатурбінная ўстаноўка - мабільная, эканамічная ў эксплуатацыі і лёгкая ў рамонце - аказалася аптымальным рашэннем для пакрыцця пікавых нагрузак. На мяжы стагоддзяў (1999-2000 гады) сумарная магутнасць газатурбінных установак дасягнула 120 000 МВт. Для параўнання: у 80-я гады сумарная магутнасць сістэм гэтага тыпу складала 8000-10 000 МВт. Значная частка ГТУ (больш за 60%) прызначаліся для працы ў складзе буйных бінарных парагазавых установак з сярэдняй магутнасцю парадку 350 МВт.

Гістарычная даведка

Тэарэтычныя асновы прымянення парагазавых тэхналогій былі досыць падрабязна вывучаны ў нас у краіне яшчэ ў пачатку 60-х гадоў. Ужо ў тую пару стала ясна: генеральны шлях развіцця цеплаэнергетыкі звязаны менавіта з парагазавымі тэхналогіямі. Аднак для іх паспяховай рэалізацыі былі неабходны надзейныя і высокаэфектыўныя газатурбінныя ўстаноўкі.

Менавіта істотны прагрэс газотурбостроения вызначыў сучасны якасны скачок цеплаэнергетыкі. Шэраг замежных фірмаў паспяхова вырашылі задачы стварэння эфектыўных стацыянарных ГТУ у тую пару, калі айчынныя галаўныя вядучыя арганізацыі ва ўмовах каманднай эканомікі займаліся падтрымкай найменш перспектыўных Паратурбінныя тэхналогій (ПТВ).

Калі ў 60-х гадах каэфіцыент карыснага дзеяння газатурбінных установак знаходзіўся на ўзроўні 24-32%, то ў канцы 80-х лепшыя стацыянарныя энергетычныя газатурбінныя ўстаноўкі ўжо мелі ККД (пры аўтаномным выкарыстанні) 36-37%. Гэта дазваляла на іх аснове ствараць ПДУ, ККД якіх дасягаў 50%. Да пачатку новага стагоддзя гэты паказчык быў роўны 40%, а ў комплексе з парагазавымі - і зусім 60%.

Параўнанне Паратурбінныя і парагазавых установак

У парагазавых устаноўках, якія базуюцца на ГТУ, бліжэйшай і рэальнай перспектывай стала атрыманне ККД 65% і больш. У той жа час для Паратурбінныя установак (развіваюцца ў СССР), толькі ў выпадку паспяховага вырашэння шэрагу складаных навуковых праблем, звязаных з генерацыяй і выкарыстаннем пара сверхкритических параметраў, можна спадзявацца на ККД не больш за 46-49%. Такім чынам, па эканамічнасці паратурбінныя сістэмы безнадзейна прайграюць парагазавы.

Істотна саступаюць паратурбінныя электрастанцыі таксама па кошту і тэрмінаў будаўніцтва. У 2005 годзе на сусветным энергетычным рынку цана 1 кВт на ПДУ магутнасцю 200 МВт і больш складала 500-600 $ / кВт. Для ПДУ меншых магутнасцяў кошт была ў межах 600-900 $ / кВт. Магутныя газатурбінныя ўстаноўкі адпавядаюць значэнняў 200-250 $ / кВт. З памяншэннем адзінкавай магутнасці іх кошт расце, але не перавышае звычайна 500 $ / кВт. Гэтыя значэнні ў разы меншы за кошт кілавата электраэнергіі Паратурбінныя сістэм. Напрыклад, цана устаноўленага кілавата у кандэнсацыйных Паратурбінныя электрастанцый вагаецца ў межах 2000-3000 $ / кВт.

Схема газатурбіннай ўстаноўкі

Ўстаноўка ўключае тры базавых вузла: газавую турбіну, камеру згарання і паветраны кампрэсар. Прычым усе агрэгаты размяшчаюцца ў зборным адзіным корпусе. Ротары кампрэсара і турбіны злучаюцца адзін з адным жорстка, абапіраючыся на падшыпнікі.

Вакол кампрэсара размяшчаюцца камеры згарання (напрыклад, 14 шт.), Кожная ў сваім асобным корпусе. Для паступлення ў кампрэсар паветра служыць ўваходных патрубок, з газавай турбіны паветра сыходзіць праз выхлапной патрубок. Грунтуецца корпус ГТУ на магутных апорах, размешчаных сіметрычна на адзінай раме.

Прынцып працы

У большасці установак ГТУ выкарыстоўваецца прынцып бесперапыннага гарэння, або адкрытага цыклу:

• Спачатку рабочае цела (паветра) запампоўваецца пры атмасферным ціску адпаведным кампрэсарам.
• Далей паветра сціскаецца да большага ціску і накіроўваецца ў камеру згарання.
• У яе падаецца паліва, якое згарае пры сталым ціску, забяспечваючы пастаянны фурманак цяпла. Дзякуючы згаранню паліва тэмпература рабочага цела павялічваецца.
• Далей рабочае цела (зараз гэта ўжо газ, якая прадстаўляе сабой сумесь паветра і прадуктаў згарання) паступае ў газавую турбіну, дзе, пашыраючыся да атмасфернага ціску, робіць карысную працу (круціць турбіну, выпрацоўвае электраэнергію).
• Пасля турбіны газы скідаюцца ў атмасферу, праз якую працоўны цыкл і замыкаецца.
• Рознасць працы турбіны і кампрэсара ўспрымаецца электрагенератарам, размешчаным на агульным вале з турбінай і кампрэсарам.

Ўстаноўкі перарывістага гарэння

У адрозненне ад папярэдняй канструктыўнай схемы, ва ўстаноўках перарывістага гарэння прымяняюцца два клапана замест аднаго.

• Кампрэсар нагнятае паветра ў камеру згарання праз першы клапан пры закрытым другім клапане.
• Калі ціск у камеры згарання падымаецца, першы клапан закрываюць. У выніку аб'ём камеры аказваецца замкнёным.
• Пры зачыненых клапанах у камеры спальваюць паліва, натуральна, яго згаранне адбываецца пры пастаянным аб'ёме. У выніку ціск працоўнага цела дадаткова павялічваецца.
• Далей адчыняюць другі клапан, і рабочае цела паступае ў газавую турбіну. Пры гэтым ціск перад турбінай будзе паступова зніжацца. Калі яно наблізіцца да атмасфернага, другі клапан варта зачыніць, а першы адкрыць і паўтарыць паслядоўнасць дзеянняў.

Цыклы газатурбінных установак

Пераходзячы да практычнай рэалізацыі таго ці іншага тэрмадынамічнай цыкла, канструктарам даводзіцца сутыкацца з мноствам непераадольных тэхнічных перашкод. Найбольш характэрны прыклад: пры вільготнасці пара больш 8-12% страты ў праточнай часткі паравой турбіны рэзка ўзрастаюць, растуць дынамічныя нагрузкі, узнікае эрозія. Гэта ў канчатковым рахунку прыводзіць да разбурэння праточнай часткі турбіны.

У выніку названых абмежаванняў у энергетыцы (для атрымання работы) шырокае прымяненне пакуль знаходзяць толькі два базавых тэрмадынамічных цыклу: цыкл Ренкина і цыкл Брайтан. Большасць энергетычных установак будуецца на спалучэнні элементаў названых цыклаў.

Цыкл Ренкина ўжываюць для рабочых тэл, якія ў працэсе рэалізацыі цыкла здзяйсняюць фазавы пераход, па такім цыкле працуюць парасілавых ўстаноўкі. Для працоўных тэл, якія не могуць быць сконденсированы ў рэальных умовах і якія мы называем газамі, ужываюць цыкл Брайтан. Па гэтым цыкле працуюць газатурбінныя ўстаноўкі і рухавікі ДВС.

якое выкарыстоўваецца паліва

Пераважная большасць ГТУ разлічаны на працу на прыродным газе. Часам вадкае паліва выкарыстоўваецца ў сістэмах малой магутнасці (радзей - сярэдняй, вельмі рэдка - вялікай магутнасці). Новым трэндам становіцца пераход кампактных газатурбінных сістэм на прымяненне цвёрдых гаручых матэрыялаў (вугаль, радзей торф і драўніна). Названыя тэндэнцыі звязаныя з тым, што газ з'яўляецца каштоўным тэхналагічным сыравінай для хімічнай прамысловасці, дзе яго выкарыстанне часта больш рэнтабельна, чым у энергетыцы. Вытворчасць газатурбінных установак, здольных эфектыўна працаваць на цвёрдым паліве, актыўна набірае абароты.

Адрозненне ДВС ад ГТУ

Прынцыповае адрозненне рухавікоў унутранага згарання і газатурбінных комплексаў зводзіцца да наступнага. У ДВС працэсы сціску паветра, згарання паліва і пашырэння прадуктаў згарання адбываюцца ў межах аднаго канструктыўнага элемента, названага цыліндрам рухавіка. У ГТУ названыя працэсы разнесеныя па асобных канструктыўных вузлоў:

• сціск ажыццяўляецца ў кампрэсары;
• згаранне паліва, адпаведна, у адмысловай камеры;
• пашырэнне прадуктаў згарання ажыццяўляецца ў газавай турбіне.

У выніку канструктыўна газатурбінныя ўстаноўкі і ДВС мала падобныя, хоць працуюць па падобных тэрмадынамічнай цыкла.

выснову

З развіццём малой энергетыкі, павышэннем яе ККД сістэмы ГТУ і ПТВ займаюць усё вялікую долю ў агульнай энергасістэме свету. Адпаведна, усё больш запатрабавана перспектыўная прафесія машыніст газатурбінных установак. Услед за заходнімі партнёрамі шэраг расійскіх вытворцаў асвоілі выпуск эканамічна эфектыўных установак газатурбіннага тыпу. Першай парагазавай электрастанцыяй новага пакалення ў РФ стала Паўночна-Заходняя ЦЭЦ у Санкт-Пецярбургу.